-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme,
die dazu bestimmt sind, Produkte, die einer Mischung im Inneren
einer Kammer unterzogen werden, zu kühlen oder auf einer Temperatur
zu halten.
-
Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung von Kältemittel in eine Mischkammer,
die mit mindestens einer Mischvorrichtung ausgestattet ist, wobei
das Fluid durch mindestens eine, in einem unteren Bereich der Kammer
mündende
Einspritzvorrichtung, die zum Öffnen/Schließen betätigt werden kann,
eingespritzt wird und aus einem oberen Bereich der Kammer über eine
Abzugsleitung abgezogen wird, und eine Mischmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
-
Ein
solches Verfahren und eine solche Maschine sind im Dokument FR-A-2
532 821 beschrieben.
-
Im
allgemeinen wird bei den bekannten Kühlsystemen an der Basis der
Mischkammer CO2-Flüssigkeit unter Druck eingespritzt,
die sich durch Druckminderung in Kohlensäureschnee und in Gas umwandelt,
wobei der Schnee mit dem in der Kammer enthaltenen Produkt gemischt
und das Gas nach dem Wärmeaustausch
mit dem zu mischenden Produkt vom oberen Teil der Kammer abgezogen
wird.
-
Eine
solche Vorrichtung wird beispielsweise in der französischen
Patentanmeldung FR-A-2 734 624 beschrieben.
-
Es
sind des weiteren von oben gekühlte Mischkammern
bekannt, von denen das Dokument FR-2 485 950 ein Beispiel darstellt.
In dem Dokument wird das Kühlverfahren
durch einen Temperaturfühler überwacht,
der die Temperatur in der Masse des verarbeiteten Fleischs mißt.
-
Die
Schwierigkeit, die sich bei einem Einspritzungssystem in dem unteren
Teil der Kammer ergibt, besteht darin, die Temperatur des gemischten Produkts
während
des gesamten Mischvorgangs zu regulieren und die Einspritzung des
Kältemittels
in die Kammer zu steuern. Mehrere Lösungen wurden bereits vorgeschlagen,
die jedoch nicht völlig
zufriedenstellend sind:
- – die manuelle Entnahme einer
Probe aus dem Inneren der Kammer durch eine Bedienungsperson mit
anschließender
manueller Kontrolle der Temperatur der Probe. Die Bedienungsperson
spritzt anschließend
manuell kryogenes Fluid ein in Abhängigkeit von der Temperatur,
die sie gemessen hat. Abgesehen von der Tatsache, daß diese
manuellen Vorgänge
lang sind, ist die Temperaturmessung wenig genau und die Bewertung
der Menge von einzuspritzendem kryogenem Fluid beruht auf Erfahrungswerten.
Daraus kann sich eine schlechte Kühlleistung des Kühlvorgangs
ergeben und infolgedessen ein übermäßiger Verbrauch
des Kältemittels,
aber auch eine Schädigung
des Produkts durch abruptes Zuführen
von Kühlung.
- – die Überwachung
der Temperatur durch eine oder mehrere Fühler, die in der Kammer angeordnet
sind. Die fortschrittlichsten Systeme, die nach diesem Prinzip arbeiten,
umfassen mehrere Fühler,
die in der Kammer so verteilt sind, daß sie unter Berücksichtigung
der Gesamtheit des Produkts eine Durchschnittstemperatur angeben.
Dagegen sind diese Fühler
schwer zugänglich
und schwer ausbaubar, ja sogar überhaupt
nicht ausbaubar, was ihre Reinigung und ihre Wartung schwierig macht.
Außerdem
sind der Einbau und die erste Positionierung der Fühler komplex,
um eine von den Einspritzungen nicht gestörte repräsentative Messung zu bieten. die
Steuerung der Einspritzung ab einem Wert oder einer Änderung des
Antriebsmoments der Mischvorrichtung. Ein solches System arbeitet
nach dem Prinzip, demgemäß der Widerstand
gegenüber
dem Mischen des Produkts um so höher
ist, je tiefer seine Temperatur ist, und daß der Stromverbrauch des Antriebsmotors
des Mischvorrichtung es ermöglicht, auf
die Temperatur des Produkts zu schließen. Allerdings ist die Korrelation
zwischen der Menge an verbrauchter elektrischer Energie und der Temperatur
des gemischten Produkts komplex und schwierig auswertbar.
-
Das
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteilen abzuhelfen und einen
optimierten Fluid-Verbrauch mit einem Verfahren zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung von Kältemittel in eine Mischkammer
bereitzustellen, das automatisch und zuverlässig ist und Meßmittel
einsetzt, die leicht instandzuhalten sind.
-
Zu
diesem Zweck umfaßt
das Verfahren zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung von Kältemittel gemäß der Erfindung
die folgenden Stufen:
- – Messung der Temperatur des
abgezogenen Fluids;
- – Steuerung
zum Öffnen
oder Schließen
der Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit
von der Temperatur.
-
Daher
ist der Parameter, der für
die Steuerung der Einspritzung des kryogenen Fluids gewählt wird,
die Temperatur des abgezogenen Fluids, was eine große Einfachheit
der Temperaturmessung zur Folge hat, die an einer einzigen Stelle
stattfinden kann, und eine gleichzeitig einfache und zuverlässige Korrelation
zwischen der gemessenen Größe und der
Temperatur des gemischten Produkts. Die eingespritzten Fluid-Mengen
werden sofort an die "Kältemenge" angepaßt, die
das Produkt speichern kann, und die Wärmeaustausch-Vorgänge werden
optimiert.
-
Beispielsweise
wird die Einspritzvorrichtung gesteuert, um sich zu schließen, wenn
der Wert der gemessenen Temperatur unter einem vorgegebenen Schwellenwert
liegt.
-
Genauer
gesagt, schlägt
die Erfindung einen Verfahren zur Überwachung und zur Steuerung
der Einspritzung von Kältemittel
in eine Mischkammer vor, die mit einer Mischvorrichtung ausgestattet
ist, wobei das Fluid durch mindestens eine, in einem unteren Bereich
der Kammer mündende
Einspritzvorrichtung, die zum Öffnen/Schließen betätigt werden kann,
eingespritzt wird und aus einem oberen Bereich der Kammer über eine
Abzugsleitung abgezogen wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet
ist, daß während eines
Mischzyklus von vorbestimmter Dauer und unterteilt in mehrere elementare Perioden
von vorbestimmter Dauer, die jeweils zwischen einem Anfangsmoment
und einem Endmoment liegen, folgende Operationen im Anschluss an jedes
Anfangsmoment ausgeführt
werden:
- a) Messen der Temperatur des abgezogenen
Fluids und Vergleichen des so erhaltenen Temperaturwerts mit einem
Referenzwert, um eine Differenz zu ermitteln;
- b) Berechnen einer elementaren Einspritzzeit anhand dieser Differenz;
- c) Steuerung des Öffnens
der Einspritzvorrichtung bei einer elementaren Einspritzphase von
gleicher Dauer wie die so berechnete elementare Einspritzzeit und
Steuerung des Schließens
der Vorrichtung für
den Rest der elementaren Periode.
-
Gemäß einem
besonderen Ausführungsmodus
der Erfindung:
- – wird vorher eine Gesamteinspritzzeit
des Kältemittels
entsprechend einer während
eines Mischzyklus einzuspritzenden Fluidmenge bestimmt;
- – wird
ein Zähler
der Einspritzzeit, der eine kumulierte Einspritzzeit ergibt, nach
jeder elementaren Einspritzzeit um die Öffnungszeit der Einspritzvorrichtung
erhöht;
- – wird
das Öffnen
der Einspritzvorrichtung bis zum Ende des Mischzyklus verhindert,
sobald die kumulierte Einspritzzeit den Wert der Gesamt-Einspritzzeit
erreicht.
-
Vorzugsweise
wird das Öffnen
der Einspritzvorrichtung ab dem Moment verhindert, ab dem die Mischvorrichtung
inaktiv ist.
-
Gemäß einem
vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird das Ende einer elementaren
Einspritzphase vom Anfang der folgenden elementaren Einspritzphase
durch eine Pausenphase mit einer Dauer ungleich Null getrennt, während der
das Öffnen
der Einspritzvorrichtung verhindert wird.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine Mischmaschine, welche die Merkmale
aufweist, die in Anspruch 7 definiert sind.
-
Vorteilhafterweise
sind die Meßmittel
außerhalb
der Mischkammer angeordnet.
-
Dank
dieser Anordnung befinden sich die Meßmittel außerhalb von Bereichen, in die
durch den Einfluß der
Einspritzdüsen
störend
eingegriffen wird, und sind leicht zugänglich und damit leicht ausbaubar hinsichtlich
eines Wartungs- oder Reinigungsvorgangs.
-
Die
Erfindung betrifft schließlich
eine Mischmaschine, die mit einer Vorrichtung zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung ausgestattet ist, wie dies vorher
beschrieben wurde.
-
Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
im Anhang:
-
1 ist
ein Funktionsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2 ist
ein Diagramm, das die verschiedenen signifikativen Größen der
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des Verfahrens zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung darstellt, die ebenfalls Gegenstand
der Erfindung sind.
-
In 1 ist
schematisch eine Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung der
Einspritzung von Kältemittel
in eine Mischkammer 1 dargestellt, die mit einer Mischvorrichtung 2 ausgestattet
ist. Die Mischkammer 1 ist eine geschlossene Kammer in
länglicher
Form mit einer im wesentlichen horizontal verlaufenden allgemeinen
Achse X-X, in deren Inneren in Längsrichtung
eine Antriebswelle 3 für
eine Reihe von Rotationsarmen 4 angeordnet ist, die mit
Blattschaufeln 41 versehen sind, (obwohl die Mischkammern
häufiger
zwei Wellen aufweisen, wird in der gesamten Beschreibung aus Gründen der
Einfachheit nur auf eine Welle Bezug genommen). Die Welle 3 von
Achse X-X wird von einem Elektromotor 5 in Drehung versetzt,
dessen Drehung von einer Überwachungsvorrichtung 6 überwacht
wird.
-
Das
Kältemittel
wird durch eine Reihe von Einspritzvorrichtungen 7 eingespritzt,
die jeweils aus einer Einspritzdüse 8 mit
einem Ventil 9 mit elektromagnetischer Funktionsweise ausgebildet,
das einen Verschluß aufweist,
der durch die Spule 10 betätigt wird. Die Steuerung der
Spule 10 bewirkt das Öffnen und
Schließen
der Einspritzvorrichtung 7. Jede Einspritzvorrichtung 7 mündet in
den unteren Bereich der Kammer 1, um so die Effizienz des
Kühlprodukts zu
erhöhen.
-
Tatsächlich ist
das am häufigsten
verwendete Kältemittel
flüssiges
CO2, (es ist auch möglich, N2 einzuspritzen),
das unter Druck eingespritzt wird und aus einem Behälter R kommt,
das sich in der Mischkammer 1 ausdehnt und in Form von
Kohlensäureschnee
in den festen Zustand und teilweise in Form von Gas übergeht.
Der Kohlensäureschnee
wird mit den Bestandteilen des zu verarbeitenden Produkts gemischt,
während
das aus der Flüssigkeit
oder der Erwärmung
des Kohlensäureschnees
stammende Gas das Produkt die Kammer von unten nach oben durchquert.
Dies ermöglicht
es, eine höhere
Kühlleistung
des Kühlgases
zu erzielen als mit einer Einspritzung im oberen Teil der Kammer.
-
Das
Gas wird anschließend
aus der Kammer 1 über
eine Abzugsleitung 11 abgezogen, die in den oberen Bereich
der Kammer 1 mündet.
-
Die
Vorrichtung umfaßt
Temperatur-Meßmittel 12,
welche die Temperatur des abgezogenen Fluids messen, das heißt des Kältemittels
nach dem Wärmeaustausch
mit dem zu mischenden Produkt, wobei die Temperatur-Meßmittel 12 beispielsweise einfach
aus einem Fühler
ausgebildet werden, der in der Abzugsleitung 11 außerhalb
der Mischkammer 1 angeordnet ist. Ein Signal zum Öffnen oder
Schließen
der Einspritzvorrichtungen 7, das einem elektrischen Signal
entspricht, das der Spule 10 zuge führt wird, wird in Abhängigkeit
von der auf diese Weise gemessenen Temperatur ausgearbeitet.
-
Die
in der Abzugsleitung 11 gemessene Temperatur hängt von
der Menge der Wärme
ab, die zwischen dem aus dem Kältemittel
stammenden Gas und dem in der Kammer 1 enthaltenen Produkt
zwischen der Bildung des Gases nach dem Einführen des Kältemittels und seinem Abzug
in die Abzugsleitung 11 ausgetauscht wird. Demzufolge gibt
die in der Abzugsleitung 11 gemessene Temperatur ein Temperaturbild
des in der Kammer enthaltenen Produkts und der Kältemenge wieder, die es absorbieren
kann.
-
Das
Verfahren zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung des Kältemittels, das im folgenden
beschrieben wird, beruht auf diesem Prinzip. Es wird auf die Vorrichtung
angewendet, die vorher beschrieben wurde, und basiert auf der Messung
der Temperatur des abgezogenen Fluids als Öffnungs- oder Schließ-Steuerparameter
der Einspritzvorrichtungen 7.
-
Für das Einsetzen
eines solchen Verfahrens zur Überwachung
und Steuerung der Einspritzung kann vorgesehen werden, daß die Einspritzvorrichtung 7 während eines
Mischvorgangs standardmäßig zum Öffnen gesteuert
wird, und daß ein
Steuersignal zum Schließen
an die Einspritzvorrichtung geleitet wird, wenn der Wert der Temperatur,
die in der Abzugsleitung 11 gemessen wird, unter einem
vorgegebenen Schwellenwert liegt.
-
Es
ist jedoch interessanter, ein Verfahren vorzusehen, das darin besteht,
in einem Mischzyklus mit einer vorgegebenen Dauer Tm und unterteilt in eine Vielzahl von elementaren
Perioden mit einer vorgegebenen Dauer Te,
die jeweils zwischen einem Anfangsmoment ti und einem Endmoment tf liegen, die folgenden Vorgänge bei
jedem Anfangsmoment ti auszuführen:
- a) Messen der Temperatur des abgezogenen Fluids
und Vergleichen des so erhaltenen Temperaturwerts Temp. mit einem
Referenzwert Temp.S, um eine Differenz zu ermitteln;
- b) Berechnen einer elementaren Einspritzzeit ton anhand dieser Differenz;
- c) Steuerung des Öffnens
der Einspritzvorrichtung 7 bei einer elementaren Einspritzphase
von gleicher Dauer wie die so berechnete elementare Einspritzzeit
ton und Steuerung des Schließens der Vorrichtung
für den
Rest der elementaren Periode.
-
Dieser
Ausführungsmodus
ist in 2 dargestellt. Er ermöglicht es, die Temperatur des
Produkts in einer relativ kurzen Zeit in die Nähe der Solltemperatur zu bringen,
wobei die Regulierung in Abhängigkeit
von einem Temperaturunterschied in bezug auf eine Schwellenwert-Temperatur
Temp.S ausgeführt
wird und nicht durch das einfache Einstellen der Temperatur Temp. über oder
unter diese Schwellenwert-Temperatur Temp.S.
-
Es
wird im übrigen
bevorzugt, zusätzliche Parameter
bei der Ausarbeitung des Steuersignals für die Einspritzvorrichtungen
vorzusehen.
-
Insbesondere
umfaßt
die Vorrichtung einen Rechner 13, der die Signale des Temperaturfühlers 12 empfängt, und
der die Steuersignale zum Öffnen/Schließen an die
Vorrichtungen 7 sendet. Dieser Rechner ist so programmiert,
daß er
eine Gesamt-Einspritzdauer für
das Kältemittel
auf der Basis der Parameter p1, p2, p3 berechnet, die mit dem zu mischenden
Produkt und mit den Anfangstemperatur-Merkmalen θi und
Endtemperatur-Merkmalen θf verbunden sind. Die mit dem Produkt verbundenen Parameter
sind beispielsweise die Masse des zu mischenden Produkts p1, seine
spezifische Wärme
p2, und ein eventuelles Gefrier-Verhältnis p3, das dem Verhältnis der
Mengen von gefrorenem Produkt und nicht gefrorenem Produkt entspricht,
die anfänglich
in die Kammer eingeführt
werden.
-
Auf
diesem Weg wird also vor dem Mischvorgang eine Gesamt-Einspritzzeit
für das
Kältemittel ermittelt,
die einer Menge von einzuspritzendem Fluid während eines vollständigen Mischzyklus
entspricht. Diese Kältemittel-Menge
stellt für
eine vorgegebene thermische Leistung die Fluidmenge dar, die notwendig
ist, um das in der Kammer enthaltene Produkt von seiner Anfangstemperatur θi auf seine Soll-Endtemperatur θf zu bringen.
-
Die
Bestimmung der Gesamt-Einspritzzeit könnte ebenfalls empirisch durch
eine Bedienperson durchgeführt
werden, wobei diese Zeit schließlich durch
einen manuellen Vorgang reguliert wird.
-
Während eines
Mischvorgangs wird ein Zähler 14 der
Einspritzzeit, der eine kumulierte Einspritzzeit ergibt, nach jeder
elementaren Einspritzzeit ton um die Öffnungszeit der Einspritzvorrichtung
erhöht.
-
Sobald
die kumulierte Einspritzzeit den Wert der Gesamt-Einspritzzeit erreicht,
was bedeutet, daß die
theoretische einzuspritzende Fluidmenge in die Kammer eingeführt worden
ist, wird die Öffnung
der Einspritzvorrichtungen 7 bis zum Ende des Mischzyklus
verhindert.
-
Diese
Bedingung bildet eine Sicherheit für die Funktionsweise des Verfahrens,
mit der vermieden wird, daß die
Temperatur am Ende des Mischvorgangs zu niedrig ist.
-
Ebenso,
weil der wesentliche Teil der Wärmezufuhr
im Inneren der Mischkammer 1 von der Bewegung der Welle 3 und
der Dreharme 4 stammt, und um zu verhindern, daß die Produkte
gefrieren, die sich in der Nähe
der Einspritzstellen befinden, oder daß das Ganze im Falle eines
längeren
Stillstands gefriert, wird die Öffnung
der Einspritzvorrichtungen 7 verhindert, sobald die Mischvorrichtung 2 inaktiv
ist. Dazu gibt die Vorrichtung 6 zum Überwachen der Funktionsweise
des Motors 5 ein Signal, das für die Funktionsweise des Motors 5 signifikativ
ist, an den Rechner 13 ab.
-
Es
ist andererseits sehr wichtig, mit den Ruhezeiten sparsam umzugehen,
in denen das Produkt Kalorien abgeben kann, und das zu mischende
Produkt nicht durch eine zu abrupte Kühlung, also eine zu schnelle
Zufuhr und eine übermäßige Menge
von kryogenem Fluid zu schocken. Deshalb ist während jeder elementaren Periode
eine Pausenphase vorgesehen, während
der die Öffnung
der Einspritzvorrichtungen 7 verhindert wird. Diese Pausenphase
folgt bei jeder elementaren Periode auf die elementare Einspritzphase.
-
Die
Vorrichtung und das Verfahren, die oben beschrieben wurden, ermöglichen
eine Optimierung und eine vollständige
Automatisierung der Steuerung für
die Einspritzung von Kältemittel
während
eines Mischvorgangs dank der aktuell verwendeten Meßmittel,
deren Zugänglichkeit
erhöht
ist, aber auch durch extrem einfache Steuermittel.
-
Des
weiteren sind die Einrichtungen an den vorhandenen Mischmaschinen,
die für
die Ausführung
der Erfindung erforderlich sind, nebensächlich.